Преимущества и недостатки параметрических систем

Эти системы более сложные. При выполнении чертежа приходится продумывать последовательность его выполнения, а также параметрические увязки всех элементов между собой. При неправильно созданном чертеже, существует опасность его вырождения при редактировании. Однако правильно сформированный чертеж обеспечивает чрезвычайно высокую гибкость для редактирования. На его основе возможно создание целой библиотеки различных вариантов исполнения деталей. Если выполняется сборочный чертеж, то благодаря параметризации очень легко подогнать детали друг к другу. У непараметрических систем этого не получится, т.к. придется редактировать входящие в сборку чертежи.

Этап проектирования конструкторской документации, традиционно заканчивается комплектом двухмерных чертежей и спецификацией, поэтому на раннем этапе развития CAD систем все усилия разработчиков САПР были сосредоточены на развитие систем класса 2D. Этому способствовало то, что для объемного отображения деталей требовалась значительная мощность персонального компьютера.

Развитие микропроцессорной техники в 90-е годы и появление процессоров IntelPentiumX486 и IntelPentiumPro сделало возможным реализацию на персональном компьютере сложной трехмерной графики, поэтому в эти годы ведущие производители CAD систем один за другим стали предлагать трехмерные системы для автоматизации проектно-конструкторских работ. Одна из самых популярных систем SolidWorksпоявилась именно в 90-е годы. В России системы класса 3D, стали внедряться в проектно-конструкторских работах в двухтысячные годы.

В 3D системах формирование детали осуществляется с помощью объемных операций.

1. Выталкивание. На сегодняшний день «выталкивание» позволяет выполнить операцию над листовым телом, и выполнить выталкивание с уклоном.

Рисунок 5 - Операция «выталкивание»

2. Вращение. Чрезвычайно удобная операция для формирования различных валов, втулок и др. деталей типа тел вращения.

Рисунок 6 - Операция «вращение»

3. Формирование тела по траектории.

Рисунок 7 - Операция «тело по траектории»

4. Формирование тела по сечению.

Рисунок 8 - Операция «тело по сечению»

5. Булевы операции объединения, вычитания и пересечения. С помощью операции «объединение», формируются тела, состоящие из нескольких тел. С помощью операции «вычитание» можно сформировать группу отверстий, полости внутри тела. С помощью операции «пересечение» формируется тело, в которое входят только общие части двух тел.

Рисунок 9 - Булевы операции

6. Сглаживание. Обеспечивает формирование фасок и скруглений на ребрах.

Рисунок 10 - Операции формирования 3D тел

В современных системах предлагается целый набор различных конструктивных элементов, отверстий различной формы, пазов, с помощью которых можно быстро и эффективно выполнить 3D модель проектируемой детали.

В настоящее время на рынке САПР имеются очень большой выбор систем класса 3D. Системы трехмерного твердотельного 3Dмоделирования позволяют:

1) существенно сократить время проектирования конструкторской документации и повысить его качество.

2) быстро отредактировать модель.

3) смоделировать работу изделия в целом и устранить конструктивные ошибки и недостатки до начала изготовления.

4) Разработать управляющие программы для станков с ЧПУ непосредственно по 3Dмодели.

В настоящее время имеется несколько десятков систем 3D моделирования. В России среди таких систем наиболее широко используются:SolidWorks, Inventor, и Unigraphics. Лучшей отечественной системой 3Dмоделирования считается T-FlexCAD 3D. С ней по популярности конкурирует система KOMPAS 3D. Отечественные системы оказались лучше приспособленными для российского пользователя благодаря интерфейсу, а также лучшей приспособленностидля разработки документации в соответствии с ГОСТ.

Этап выполнения технических расчетов (CAE)

Процесс разработки КД сопровождается выполнением разнообразных технических расчетов, с помощью которых определяются оптимальные размеры деталей и её нагрузочная способность.

Традиционно, для выполнения таких расчетов в проектных подразделениях существовал специальный отдел, в котором для автоматического выполнения расчетов используются различные пакеты программ. В зависимости от специфики проектных подразделений решение задачи может быть разным, поэтому в соответствии с требованиями к расчету существуют и разные программы осуществляющие его. Поэтому разработчики CAE систем выпускают свои системы в виде целого набора специальных модулей.

Системы класса CAE - наиболее сложные и наукоемкие из всех видов САПР. Среди зарубежных систем наиболее известны системы: ANSYS (США) и NASTRAN.

Эти системы обеспечивают выполнение следующих расчетов:

1) Конструкционные (механические расчеты);

2) Термические;

3) Гидрогазодинамические;

4) Электростатические, электромагнитные;

5) Междисциплинарные задачи;

Область применения:

1) Аэрокосмическая;

2) Автомобильная;

3) Машиностроение (станки, тяжелое оборудование, турбины, электрооборудование);

4) Морская техника;

5) Нефтегазовая отрасль;

6) Проектирование мостов и зданий;

7) Энергетика;

8) Электроника и приборостроение

9) Биомедицинская

Особенность механических расчетов в этой системе состоит в том, что учитывается предельная нагруженность, при которой упругие деформации начинают переходить в пластические.

Задачи расчета конструкций

- Модули ANSYS/Multiphysics, ANSYS/LS-DYNA, ANSYS/Mechanical, ANSYS/Structural, ANSYS/Professional, ANSYS/DesignSpace):

- Cтатический и динамический анализ конструкций с учетом нелинейного поведения материалов, включая ползучесть, большие пластические деформации, значительный изгиб, сверхэластичность, накопление остаточной деформации при циклическом нагружении, изменяющиеся условия контакта;

- Определение собственных мод и резонансных спектров вынужденных колебаний, а также смещений и напряжений по известным вибрационным спектрам;

- Динамический анализ переходных процессов и точный динамический анализ, моделирующий большие деформации в тех случаях, когда значимыми становятся силы инерции — ударное нагружение, дробление, быстрая формовка и т.п.

- Контактные задачи (поверхность-поверхность, узел-поверхность, узел-узел, cтержень-стержень).

- Задачи потери устойчивости конструкций.

Стоимость таких систем (полный комплект модулей) может достигать 30000€.

В России также имеются системы класса CAE. Сравнительный анализ, выполненный на основе расчета аналогичных конструкций показывает, что российские системы как минимум не уступают зарубежным. Одной из наиболее мощных систем класса CAE считается система WinMachine, разработанная в МГТУ им. Баумана.

Данная система специализируется на следующих расчетах:

1) энергетических и кинематических параметров;

2) прочности, жесткости и устойчивости;

3) выносливости при постоянной и переменной внешних нагрузках;

4) вероятности, надежности и износостойкости;

5) динамических характеристик;

Система имеет модульную структуру и в зависимости от решаемых задач пользователь может приобрести нужный набор модулей. Всего в систему входит 11 модулей:

1) проектирование приводов (APM Drive)

2) проектирование подшипников (APM Bear)

3) проектирование валов и осей (APMShaft)

4) проектирование зубчатых, червячных, ременных и цепных передач (APMTrans)

5) проектирование кулачковых и мальтийских механизмов (APMCam)

6) расчет напряженно-деформированного состояния и динамики конструкций (APMStructure3D)

7) расчет балочных элементов конструкций APMBeam

8) проектирование резьбовых, сварных, заклепочных соединений (APMJoint)

9) проектирование пружин (APM Spring)

10) проектирование рычажных механизмов (APMSlider)

11) расчет винтовых, шарико-винтовых и планетарных передач (APMScrew)

Последний вид расчета отличается высокой сложностью и затратами машинного времени. Он основан на конечных элементах.

Рисунок 11 - Конечный элемент

Вся конструкция разбивается на конечные элементы, чем мельче элемент, тем точнее расчет, но при этом и гораздо выше время его исполнения. Взаимодействие соседних конечных элементов описывается системой линейных алгебраических уравнений. Таким образом, система конечно-элементного анализа разбивается на 3 части:

1. Модуль формирования сетки конечных элементов.

Рисунок 12 - Сетка конечных элементов

Рисунок 13 - Конструкция и ее анализ

2. Модуль формирования системы линейных алгебраических уравнений и её решения.

3. Модуль интерпретации результата расчета.

Кроме описанной системы WinMachine, имеется также целый ряд других программ. Многие разработчики CADсистем создают свои собственные CAEсистемы, пусть и не охватывающие весь спектр расчетов. Так, например, в состав комплекса T-Flex также входит CAE система конечно-элементного анализа. Она обеспечивает расчет деформации под действием статических нагрузок, поведение конструкции под действием динамических нагрузок, термические расчеты.

Рисунок 14 - Структура системы

Этап разработки программ для станков с ЧПУ (САМ)

Эти системы самые многочисленные, их общее количество составляет несколько десятков и приближается к сотне. Одну из таких систем мы изучали в прошлом году - система PEPSCAM.

CAM системы также имеют модульную структуру. Модули ориентируются на определенный вид обработки и уровень сложности этой обработки. По видам обработки модули делятся на: токарную, фрезерную, для токарных обрабатывающих центров, сверлильно-расточную, электроэрозионную, лазерную.

Виды обработки реализуются разными модулями, в зависимости от количества управляемых осей они подразделяются на:

- 2Dтокарные;

- 2,5Dфрезерные;

- 2,5D электроэрозионные (проволочные);

- 3D фрезерные;

- 4Dдля токарных обрабатывающих центров;

- 5D фрезерные;

- 5Dдля токарных обрабатывающих центров;

- 5D лазерные;

Кроме систем для станочной обработки имеется ряд систем для автоматизации других видов обработки, это так называемые литейные пакеты, обеспечивающие моделирование процесса заливки жидкого металла, его кристаллизации и моделирования формы готовой детали. Также существуют пакеты для моделирования ковки и горячей объемной штамповки (ГОШ).

Этап проектирования маршрутно-операционных технологий (CAPP)

Разработка маршрутно-операционных технологий выполняется сотрудниками ОГТ или технологического бюро. Традиционно эта работа заключалась в ручном заполнении бланков МОК имеющих стандартную форму.

В советское время на предприятиях существовали многочисленные отделы АСУ с надлежащим штатом программистов. Этими силами разрабатывались специализированные САПР, ориентированные на особенности и традиции данного предприятия.

В 90-е годы началась резкое сокращение штатов АСУ и ОГТ. САПР, разработанные на старой компьютерной технике, уже не могли использоваться. В это время на рынке САПР появились системы, максимально унифицированные для проектирования технологий. Наиболее легким вариантом реализации такой системы, было использование диалогового режима. Подавляющее большинство систем класса CAPP поддерживают диалоговый режим.